基于stm32的配电管理及状态监测系统设计

负载的智能配电控制及配电状态实时监控#该系统核心处理器和数据采集处理器为STM32F207,以太

网控制芯片选用DP83848#详细介绍了智能配电系统配电状态数字量、负载电流模拟量数据采集硬件设 计和软件It过流保护算法，分析了 LwIP协议栈的移植#此配电管理及以太网数据采集系统可广泛用 于28 V直流供电体制的配电管理及远程监控#关键词：智能配电系统；固态功率控制器；短路保护；It保护；实时；LwIP协议栈中图分类号:TN 91— 7 文献标志码:ADesigning of System of Power Distribution Management and Condition Monitoring Based on STM32MA Yanni，ZHANG Minquan(Navigation and Control Technology Research Institute of China North Industries Group Corporation Beijing100089 China)Abstract: A design method for intelligent distribution control of load and real-time monitoring of distribution status and

currentprotectionsystembasedonthesolidstatepowercontrolerwasproposed!thecurrentdatacolectedcanbereported

o host computer through Ethernet The core processor of data acquisition and analysis was STM32F207 microprocessor! and chip DP83848 was used for Ethernet communication ThehardwaredesignandsoftwareI2tovercurrentprotectional-

gorithm of the intelligent power distribution system were introduced respectively. The digital value of distribution status and analog value of load current acquisition!analysis and transmission modules design were analyzed in details Transplantation

of*wIPprotocolstack wasintroduced Thedistribution managementand Ethernet data acquisition system can be widely used for distribution management and remote monitoring based on 28 V DC power supply systemKey words: intelligent power distribution system，solid state power controller，short-circuit protection，I2t protection，

eal-time!*wIPprotocolstack基于固态功率控制器(Solid State Power Con- 现了电路保护，其原理框图如图1所示'可广泛用

troller,SSPC)的智能供配电管理已被越来越多地 于装甲车辆、自行火炮、火箭炮等领域作为电源系统 的二次配电管理。STM32F207+DP83848以太网 通信

以太网

使用，可实现负载自动控制、状态反馈、短路保护、配

电系统的健康管理等功能，具有软启动和软关断特 性，有效降低了 EMI电磁干扰，可广泛替代传统的 断路器及继电器配电系统。本文采用负载自动管理 技术，内嵌的数据采集模块可以向配电管理系统反

------亦馈负载的状态，形成闭环的负载控制系统。在国内 首次将100M工业以太网总线用于军用车辆任务的 点对点通信，通过信息传输强度测试，相对于CAN

f

11

1

总线工作稳定，数据传输高效、可靠。图

配电管理系统原理框图1 总体万案配电管理及状态监测系统可切换多路28VDC

2硬件设计核心是ST系列的工业级单片机芯片STM32F207。

的直流负载，与上位机采用以太网总线通信，能够通 过数据总线的方式实现远程计算机对直流负载进行

该芯片是ARM Cortex-M3内核的32位微控制器,

配电控制，也可以通过开关信号控制配电，对负载的 供电状态进行实时的监测和反馈，并具有自检测和

最高工作频率可达到120 MHz,具有1 MB字节的 闪存以及128 K字节的SRAM，丰富的片上资源大

支持实时数据状态上报功能，使用SSPC作为配电 的核心器件，配有电流过载或瞬间短路跳闸功能，实

38大简化了系统硬件，同时大大降低了系统功耗。负载采用固态功率控制器，大电流负载时使用

《新技术新工艺》设计与计算设计计算接触器作为驱动单元，arm单片机均能够通过接 收以太网总线发送的控制指令、采集用电信息，包括 电源系统供电情况、负载用电量、负载配电状态等, 并实时传输至上级显示系统。本文是一个集电源管 理、配电控制、通信为一体的配电管理系统，该管理 系统还具有故障检测、系统运行检测、自动接通和断

时，根据控制计算机设定的参考阈值，系统会进行报 警提示或切断该设备用电，保证其他设备用电安全。标准以太网接口 RJ-45设计选用的是美国国家 半导体公司生产的DP83848芯片，该芯片是一个

单端物理层器件，利用STM32F207内部集成的 MAC控制器通过RMII接口方式和DP83848芯片

开负载用电等功能，即当任一负载过压、欠压或过流 相连即可。以太网通信原理图如图2所示。U3莒

PEE2 Rl&__fPEE] RlA/y^：‘ 15\\TX+ 16、TX_ 14RX+NC3NC4TX-CY2你

||'DGND+3V3ZZ^C2U1RS5Mil TX ENMil TXDOMI「TXD1PB11PB12PB13-2,3,TXD 0TXDlTXD_2TXD 3/SNI MODE161413DGND TPTX+TPTX-TPRX+TPRX-RXD_O/PHYAD1 RXD_1/PHYAD2 RXD2/PHYAD3 RXD_3/PHYAD4RX_ER/MDIX_EN RX_DV/MII_MODERX_CLK —COL/PHYADOCRS/CRS DV/LED CFGMil MDC MlfMDIOMDIOPHY RESET#RESET_NPWR DOWN/INTLEDLINK/ANOLEDSPEED/AN1LED ACT/COL/AN EN28 LED L2726 LED ACKMCOVCCOUT

GNDEN25MHz OUTRBIASPFBIN2PFBIN1 PFBOUTDP83848CWAVDD33 IOVDD33 IOVDD33AGND AGND IOGND IOGNDDGNDSM7745HEV-50.0MU2丄丄丄丄丄丄I]lOOnF ] 100nF | lOOnF图2以太网通信原理图固态功率控制器BTS412B无触点抖动，具有 软开关功能，不会产生电压尖峰和电磁干扰,具有开 关时间短、功耗小、可靠性高和寿命长的优点。设计

霍尔电流传感器为南京中旭的HNC025A-E, 安装到配电线路上进行负载管理。霍尔电流传感器

的输岀和ARM单片机连接起来，对负载电流情况 进行监控,对智能功率开关进行功率输岀限定。若 发现过流，应及时使受控的线路断开，保证用电设备

中考虑了各种不同类型的负载，SSPC在断开感性 负载时会产生瞬变感应电压，该电压可使功率管击

穿，可采用续流二极管解决。SSPC在接通阻容性 负载时瞬变电流采用RC网络慢开通方式解决0的安全。通过采集电源系统输入电压值、总电流大 小、各路负载输岀电流大小，并设置各路负载输岀电

9《新技术新工艺》设计与计算新技术新工艺2019年 第11期流阈值、电源系统电压阈值，如果超出各路负载输出

路信号直接送至驱动部分，快速关断功率管,切除故

电流阈值或者电源系统电压阈值，则通过控制智能 功率开关对其进行限制管理。发生短路故障时，短

障负载。固态功率控制器驱动及电流检测原理图如 图3所示。24VGNDU10UW124VCtrll 尹\"IRIN1210KDZ15.1 V10K屹Im out5PInl3t

nr^TS412B5-IP+ IP+ IP+ IP+IP+6•J200

|\\]------ >AGND/图3固态功率控制器驱动及电流检测原理图通过ADC121S021接收转换来自电流采样电 任务。为提高程序效率，为2个任务操作各建立1 个线程，使其独立运行,应用程序的执行采用轮询方

路、电压采样电路的信号，检测到的运行状态信息 （负载电流、电源电压）经过SPI总线上报至CPU⑷。

式。程序的配电及用电状态监测任务通过I/O 口 控制SSPC的通断，并采集每路SSPC的状态信息 以判断各路负载的配电状态「I。其各路负载的输

微处理器分析采集到的电流、电压及通过I/O 口检 测到的配电状态判断直流负载的运行状态是否正 常，送控制与显示单元显示「5,，并可通过以太网实时

上报到上位机。控制及显示单元（见图4）使用SPI接口的扩展

入输出状态逻辑见表1'表1中，输入控制命令低 电平L为接通指令，高电平H为断开指令；输出状 态有电流时显示低电平L,无电流时显示高电平H；

芯片MCP23S17接收操控人员的配电开关指令，传 送给微处理器;接收微处理器的负载配电状态输出

状态端信号有电流时显示高电平H,无电流时显示 低电平*。表1负载输出状态判断逻辑图状态1给指示灯指示。输入控制命令H输出 状态端信号LLH状态LLLHSSPC及负载状态SSPC正常关断状态2LLL轻负载正常导通（开路）SSPC正常导通状态3GBP0GBP1GBP2GBP3GBP4GBP5GBP6GBP7VDDVSS CSSCKSIsoGPA7GPA6GPA5GPA4GPA3GPA2GPA1GPA0INTAINTB RESETA2AlAO4L显示跳闸状态软件亦设置了每路的开路和过流检测阈值。开 路阈值的设置可以区分负载与空载的情况，可有效 解决小电流支路的通电状态监测问题。软件具有

I2T过流保护功能「8切，即反时限保护功能，依据 IEC 255-3,采用极端反延时标准方程为：图4控制及显示模块80 TP（E/Ep ）2 — 1

式中，为关断延时时间%p为反时限常数；E为负

载电流；Ep为过流基准电流。3过流保护算法实现软件系统的开发环境采用ARM公司的Real-

经离散化变形为：80%P = ）「（（H）/Ep ）2 — 1 ]d/ =0View MDK,操作系统使用RT-THREAD，该实时

系统可支持多线程运行。程序要完成2个任务：1） 以太网数据处理任务；2）配电控制及用电状态监测

40M—1* [（（）/Ep）2 — 1,《新技术新工艺》设计与计算设计式中，采样周期!!为常数\"为累加的采样次数,

I2T反时限保护曲线计算即：!

&$o由上式可见，当(〉(p时,在每个采样周期中将

&((&)/(p)2 — l］累加，当累加值〉亍时，反时限

on累计延时到，输出跳闸保护。过流保护监测波形如图5所示，软件设定某负

载支路额定电流为% A,当过流值为9. 2 A,用电 电流超过过流阈值约47. 6 ms的时间时，切断该支 路的电压输出。短路时，SSPC硬件可在几十微秒 级的时间内迅速自动保护。10-2 101 10° 101延时时间/S图6过流倍数与跳闸时间的关系LwIP协议栈是用于嵌入式系统的开源TCP/

IP协议栈，程序移植LwIP协议栈实现以太网通信

功能，以接受上位机的控制指令，上报负载的配电状 态等，该协议栈提供了非常丰富的接口函数。为检

测网路链接的状态，设计心跳检测功能。-7.5000V +20.2500V w

|dc 涂 Agilent Technologies 02:52 PM May 16, 2016电源智能管理通过以太网获取车辆任务剖面信 息，以电源系统及设备用电状态监测为基础，结合当

图5负载支路过流保护测试波形前任务剖面下工作设备总功率、设备优先级等条件

对所设计的电路在不同的过流倍数的情况下进 行仿真，绘制过载倍数与跳闸时间的关系曲线图( 经与IEEE 2555的理论曲线进行对比，用MAT­

实现。本文获取任务剖面信息包括车辆启动、行车 导航、战斗、撤出战斗等，在相应的任务剖面保证优 先级高的设备可靠供电。基于LwIP协议栈的TCP 通信仿真及测试数据如图7所示。LAB 拟合实际曲线与理论曲线基本吻合(见图6)。@TCP^®］手(V1.9)□数据接收区回+六进制显示文件(F)工具(T)编码方式关于(A)-liiiiil------------------------

通讯模式-------C TCP Client

(• TCP Server C UDP远程主机I 192.168. 50 . 11 1远程端口本地端口® r赫扁“ ii■清空接收区55 AA 03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0D (47) 55 AA 03 09 02 00 02 04 00 FF FF FF 0F1D (15)55 AA 03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0E(47)55 AA 03 09 02 00 02 Q4 00 FF FF FF OF 1D (15)55 AA 03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0E(4?)55 AA 03 09 02 00 02 04 00 FF FF FF OF 1D (15)AA55AA03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0E(4?)AA55AA03 09 02 00 02 04 00 55 FD F7 0F 69 (15)AA55AA03 09 02 00 03 24 00 00 EC 00 ED 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 OF(47)AA55AA03 09 02 00 02 04 00 55 75 55 OF 3F (15)AA55AA03 09 02 00 04 01 00 01 11 (12)AA55AA03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0010 (47)AA55AA03 09 02 00 02 04 00 55 75 55 0D 3D (15)AA55AA03 09 02 00 03 24 00 00 EC 00 ED 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 OF (4?)AA55AA03 09 02 00 02 04 00 55 75 55 0D 3D (15)AA55AA03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0010 (47)AA55AA03 09 02 00 02 04 00 55 75 55 0D 3D (15)AA55AA03 09 02 00 03 24 00 00 ED 00 ED 00 00 00 05 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0011(47)55 AA 03 09 02 00 02 04 00 55 75 55 0D 3D (15)55 AA 03 09 02 00 03 24 00 00 EC 00 ED 00 00 00 05 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0010(47)55 AA 03 09 02 00 02 04 00 55 75 55 0D 3D (15)自动发送(ms)『000数据发送区厂+六进制发送图7 TCP通信仿真及测试数据《新技术新工艺》设计与计算41新技术新工艺2019年 第11期+结语智能配电系统可方便负载的动态管理，自动协 调电源所能供给的功率和用电设备所需的功率，有

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